0 引言

    在現(xiàn)代電子控制系統(tǒng)中，大量的指示燈狀態(tài)、開關(guān)閥門狀態(tài)、電機轉(zhuǎn)動等信息都是通過離散量來進行表征，而離散量都是通過計算機進行控制的^[1]。作為控制電路中的重要組成部分，離散量處理電路正在隨著微電子技術(shù)的發(fā)展從傳統(tǒng)的較復雜的分立元器件搭建電路向著更加簡單、安全、可靠的集成電路方向發(fā)展^[2]。

    本文從離散量概念出發(fā)，對離散量處理電路國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀進行簡要的論述，最后根據(jù)國內(nèi)微電子技術(shù)的發(fā)展態(tài)勢展望離散量處理電路在中國的發(fā)展方向。

1 概述

    自然界產(chǎn)生的信號，宏觀上為模擬量^[3]，對模擬量信號進行抽樣得到的信號就是離散量信號。離散量是只有兩個狀態(tài)的開關(guān)量的集合。離散量信號通常劃分為“地/開”、“電壓/地”和“電壓/開”（開指開路狀態(tài)）三種類型，其中電壓根據(jù)系統(tǒng)要求不同可以是+10 V、+15 V、+28 V等形式。

    離散量信號開關(guān)狀態(tài)的認知和應用推動著計算機科學技術(shù)的發(fā)展，奠定了第三次科技革命的基礎(chǔ)。同時離散量的概念在現(xiàn)代工業(yè)自動化控制中有著重要的意義。它把零散的信息根據(jù)邏輯關(guān)系有規(guī)律地整合起來，便于工業(yè)計算機計算、存儲、處理和傳輸，有時也把無邏輯關(guān)系的開關(guān)量信息整合以便于通信傳輸。近年來隨著離散量信號在工業(yè)控制、汽車電子、航空電子領(lǐng)域的廣泛應用，其使用數(shù)量的規(guī)模也在大幅度增加，更簡便、更安全、更可靠的離散量處理技術(shù)正在悄然地發(fā)生著改變^[4]。

2 國內(nèi)離散量處理電路發(fā)展現(xiàn)狀

    國內(nèi)離散量處理電路分為兩大類：輸入型離散量處理電路和輸出型離散量處理電路^[5]。輸入型離散量電路主要用于計算機等控制器采集外部狀態(tài)指示，開關(guān)狀態(tài)等信息信號的處理，保證信號的準確性。輸出型離散量處理電路主要用于計算機等控制器輸出狀態(tài)控制信息驅(qū)動負載，增加控制器的驅(qū)動帶載能力^[6]。電子控制系統(tǒng)中，通用離散量轉(zhuǎn)換示意圖如圖1所示。下面分別對輸入離散量和輸出離散量進行闡述。

2.1 輸入型離散量處理電路發(fā)展現(xiàn)狀

    參考文獻[2]提出：離散量輸入處理電路的一般處理流程為：外部輸入高壓大電流信號經(jīng)過隔離及雷電防護后，降壓濾波消抖，最后由計算機總線讀入，離散量輸入具有BIT自檢測能力。

    目前，行業(yè)內(nèi)離散量輸入處理電路實現(xiàn)方式主要有隔離型離散量輸入電路和非隔離型離散量輸入處理電路。兩種實現(xiàn)方式不同，但都是通過分立元器件搭建電路。 隔離型離散量輸入處理電路一般由光耦和分立電阻電容搭建形成，優(yōu)點是可以實現(xiàn)外部輸入離散量與內(nèi)部采集電路的電氣隔離，但缺點也很明顯，如體積、重量、復雜度對內(nèi)部電路的影響，光耦器件受環(huán)境因素影響帶來的導通電流變化等。加之系統(tǒng)輸入離散量類型不統(tǒng)一，尤其是對于多路離散量輸入時，需要搭建符合各類型離散量電路，電路拓撲參數(shù)各異，不易于維護，且電路繁雜，占用很大布板面積。

    非隔離型離散量輸入處理電路一般有兩種實現(xiàn)方式：由分立阻容器件搭建的電路和由比較器與阻容搭建的電路。分立阻容器件搭建的電路設(shè)計簡單，價格低廉，但器件眾多，可靠性差，更改閾值繁瑣，輸出形式單一；基于比較器與阻容器件搭建的電路閾值可以精確設(shè)置，并且同類型離散量可以使用相同處理電路，閾值更改較分立阻容器件更改簡便，但同樣具有體積龐大，使用器件數(shù)量多等共性缺點^[4]。

    綜上所述，目前國內(nèi)離散量輸入處理的方式主要以分立器件實現(xiàn)，因此體積龐大，使用器件數(shù)量多，維護及更改設(shè)計都較為不便。

2.2 輸出型離散量處理電路發(fā)展現(xiàn)狀

    離散量輸出處理電路一般處理流程為：將輸出離散量信號鎖存在固定時間段內(nèi)輸出，再將輸出信號隔離并進行放大，以匹配負載驅(qū)動門限，同時輸出離散量信號具有異常監(jiān)控和保護功能（如雷電防護、過流過壓過熱保護等）^[7]。

    目前，在電子控制領(lǐng)域內(nèi)輸出型離散量處理的方式有隔離型和非隔離型兩種，與輸入型離散量處理方式相同，也多通過分立器件搭建處理電路。下面具體介紹。

    (1)隔離型離散量輸出。該類型電路一般是通過繼電器與驅(qū)動三極管組成，輸出離散量信號由驅(qū)動三極管將輸出電流放大后再驅(qū)動繼電器實現(xiàn)輸出，繼電器種類眾多可實現(xiàn)不同輸出電流要求的離散量輸出，該種電路實現(xiàn)了輸出離散量的隔離，且電路設(shè)計簡單，但是由于是繼電器與分立阻容器件搭建，依然擺脫不了體積大、重量增加等共性問題，且繼電器輸出電路的異常保護設(shè)計比較困難，輔助性電路太多^[8]。

    (2)非隔離型離散量輸出。該類型電路一般使用在小電流離散量輸出場合，由總線鎖存驅(qū)動電路與達林頓晶體管搭建，控制簡單且有小型化集成電路可用，同時還可以驅(qū)動感性負載，但是該類型電路驅(qū)動電流較小，無法實現(xiàn)內(nèi)外電路的隔離，如果需要異常保護也需要增加輔助電路，相對也占用板面積資源^[9-10]。

    綜上所述，目前國內(nèi)的離散量輸出處理電路主要以分立器件實現(xiàn)，其體積大、保護電路設(shè)計復雜且輔助電路較多。

3 國外離散量信號處理的發(fā)展現(xiàn)狀

    上世紀90年代，國外學術(shù)界和工業(yè)界針對離散量信號實現(xiàn)繁瑣的共性問題已展開積極的研究，目前相關(guān)產(chǎn)品已日趨成熟，相關(guān)研究和應用呈現(xiàn)以下四個特點：

    (1)對離散量信號的研究和定義趨于標準化，制定了完善的產(chǎn)品和試驗體系。通過對離散量航空環(huán)境、離散量信號安全性和可靠性的研究，國外相關(guān)公司和研究機構(gòu)針對離散量信號定義了多項標準體系，如空中客車的ABD0100H及RTCA DO-160系列實驗性標準，對離散量信號的特征和試驗方法進行了明確定義^[11-12]。

    (2)離散量信號的轉(zhuǎn)換和處理電路日趨小型化、集成化。隨著半導體技術(shù)的不斷進步，離散量信號的處理和驅(qū)動電路均可采用集成電路的設(shè)計方法實現(xiàn)。查找專利數(shù)據(jù)庫可知，最早的離散量集成化專利授權(quán)是1998年歐洲專利局授權(quán)給DDC，在隨后的十幾年中，DEI、HOLT等公司提供了較為完善的集成離散量轉(zhuǎn)換和處理產(chǎn)品^[13]。

    (3)離散量信號的安全性和可靠性要求不斷提高。離散量信號由以前定義的低速、低電壓信號向高速、高電壓、高浪涌和高確定性等方向發(fā)展，相應的處理技術(shù)及防護技術(shù)不斷進步，國外已設(shè)計出片內(nèi)可實現(xiàn)閃電防護的產(chǎn)品^[14]。

    (4)離散量信號處理技術(shù)的水平不斷提高，產(chǎn)品被大公司壟斷。離散量信號處理即驅(qū)動電路的集成小型化芯片實現(xiàn)技術(shù)與工業(yè)控制即航空應用密切相關(guān)，由于關(guān)鍵的電氣防護，大電流驅(qū)動、失效保護和故障隔離等技術(shù)不易掌握，相關(guān)產(chǎn)品主要被DEI、HOLT、Infineon等公司所壟斷^[15]。

    綜上所述，國外離散量處理電路正在向著標準化、集成化、高可靠性、系列化等多個維度發(fā)展，產(chǎn)品技術(shù)趨于壟斷。

4 離散量處理電路的未來發(fā)展趨勢

    通過對上述國內(nèi)與國外離散量處理方式的對比可知：目前國內(nèi)離散量處理電路采用分立器件實現(xiàn)的方式，使用比較器芯片實現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換，電阻和電容器實現(xiàn)RC濾波，且自檢等功能需要大量邏輯器件完成^[16]。而離散量驅(qū)動方式仍采用IGBT驅(qū)動等較為簡單的方式，錯誤監(jiān)控耗費資源大且監(jiān)測范圍小，與國外的集成化、小型化的技術(shù)趨勢存在不小的差距。主要有：

    (1)相對國外完整的標準體系，國內(nèi)至今沒有制定過離散量處理的相關(guān)標準，導致國內(nèi)各單位沒有統(tǒng)一的接口處理方案，在電子系統(tǒng)集合時存在大量的沖突，導致系統(tǒng)低效^[7]。

    (2)相對國外成熟的產(chǎn)品體系，國內(nèi)至今沒有完整對應的產(chǎn)品體系可以覆蓋各控制領(lǐng)域的需求。

    (3)國內(nèi)缺乏保證離散量信號安全性和可靠性的技術(shù)積累，在電路小型化、集成化設(shè)計及防護等方面存在技術(shù)空白。

    應對以上我國在該領(lǐng)域與國外的差距，未來我國針對工業(yè)控制等領(lǐng)域?qū)Ω咝阅茈x散量信號處理的高可靠性智能化的應用需求應該做到：

    (1)創(chuàng)新性的研制具有自主知識產(chǎn)權(quán)的系列產(chǎn)品。目前，國內(nèi)一些相關(guān)科研院所及公司已對離散量處理開展了系列研究工作。如西安翔騰微電子科技有限公司的32路離散量輸入處理芯片HKA03201等，為我國在該領(lǐng)域的研究發(fā)展起到很好的帶頭作用，未來仍需加大研發(fā)力度，早日實現(xiàn)產(chǎn)品系列化。

    (2)編制統(tǒng)一的國家標準。從國家的角度推進標準化的研制框架，完善該領(lǐng)域產(chǎn)品和試驗體系，以解決目前各種處理方案不統(tǒng)一的現(xiàn)狀，提高產(chǎn)品模塊的兼容性。

    (3)系統(tǒng)智能化發(fā)展。研制產(chǎn)品的用途是應用，為應對未來離散量處理小型化、系列化的趨勢，離散量處理電路不僅要著眼于自主芯片的研制更應著眼于基于芯片的離散量輸入接口全套解決方案，將同類型處理電路做到標準化、統(tǒng)一化。

5 結(jié)論

    本文對離散量處理國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀進行了對比研究，指出了離散量處理的未來發(fā)展趨勢。隨著我國工業(yè)控制智能化的發(fā)展，離散量的使用量會繼續(xù)增大。隨著信息采集可靠性需求不斷提高，我國在離散量處理領(lǐng)域的傳統(tǒng)分立器件方案必然會逐步被集成自檢測、冗余、錯誤校驗、錯誤隔離和電氣防護等智能功能的小型化高集成度的系列芯片所取代。

參考文獻

[1] 徐忠錦．一種簡單可靠離散量信號電路的設(shè)計和實現(xiàn)[J]．電子設(shè)計工程，2013，21(5)：130-133.

[2] 王萌，成書鋒，李亞鋒.機載計算機內(nèi)離散量接口功能的設(shè)計方法[J].計算機技術(shù)與發(fā)展，2015，25(2)：207-211.

[3] 畢查德·拉扎維.模擬CMOS集成電路設(shè)計[M].西安：西安交通大學出社，2005.

[4] 徐向榮，陳昌濤，歐陽月華．飛行控制計算機采集處理系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J]．計算機與現(xiàn)代化，2011(2)：89-91．

[5] 王銳.飛控系統(tǒng)控制信息自動采集處理模塊及自測試設(shè)計[J].應用光學，2013，34(2)：79-80.

[6] 田心宇，張小林，吳海濤，等．機載計算機BIT設(shè)計技術(shù)及策略研究[J]．計算機測量與控制，2011，19(9)：2064-2066．

[7] 羅志強.航空電子綜合化系統(tǒng)[M].北京：北京航空航天大學出版社，1990.

[8] 溫熙森，胡玫，易曉山，等.可測試性技術(shù)的現(xiàn)狀與未來[J].測控技術(shù)，2000，19(1)：9-12.

[9] 劉林，郭恩友.飛行控制系統(tǒng)分系統(tǒng)[M].北京：國防工業(yè)出版社，2003.

[10] 周德新，崔海青，謝曉敏.機載電子設(shè)備故障診斷專家系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2010，33(24)：80-82.

[11] BRIERE D，TRAVERSE P.AIRBUS A320/A330/A340 electrical flight control: a family of fault-tolerant systems[C].Proc.of the twenty-third international symposium on fault-tolerant computing.IEEE，1993：616-623.

[12] YEH Y C.Triple-redundant 777 primary flight computer[C].Proc of 1996 IEEE aerospace application conference.IEEE，1996：293-307.

[13] Luo Yunlin，Chen Baojie．The design of UAV control system based on DSP[C].Proceedings of the 2012 international conference on control engineering and communication technology．IEEE，2012：527-530．

[14] Marcel Staroswiecki，Eva Wu N.Concepts and methods in fault-tolerant control[A].Tutorial at American Control Conference[C].Mogens Blanke，2001.

[15] LALA J H，HARPER R E.Architectural principles for safety-critical real-time applications[J].Proc of the IEEE，1994，82(1)：25-40.

[16] 李烈彪，李仙．計算機系統(tǒng)的可靠性技術(shù)[J]．計算機技術(shù)與發(fā)展，2007，17(11)：142-144．